一种单晶硅拉制用降氧保护装置

摘要

本发明涉及单晶炉的技术领域，特别是涉及一种单晶硅拉制用降氧保护装置，其能够有效减少单晶硅内的氧含量，提升晶体硅的性能；包括：单晶炉，单晶炉内部安装有坩埚，坩埚圆周外部设置有加热器，加热器用于对坩埚内部熔融状态下的硅液进行加热；搅拌机构，搅拌机构可拆卸安装在单晶炉顶部，搅拌机构用于将硅液表面的一氧化硅旋转至外围；抑氧瓦，单晶炉内对称安装有两组驱动机构，两片抑氧瓦分别依靠支撑臂安装在驱动机构上，驱动机构用于将抑氧瓦推入至坩埚内部的硅液上方，并使抑氧瓦一部分伸入至硅液表面以下，两片抑氧瓦合并后将漂浮在硅液表面的一氧化硅隔离在抑氧瓦外壁与坩埚内壁之间。

权利要求

1.一种单晶硅拉制用降氧保护装置，其特征在于，包括：

单晶炉(1)，所述单晶炉(1)内部安装有坩埚(2)，所述坩埚(2)圆周外部设置有加热器(3)，所述加热器(3)用于对坩埚(2)内部熔融状态下的硅液进行加热；

搅拌机构(7)，所述搅拌机构(7)可拆卸安装在单晶炉(1)顶部，所述搅拌机构(7)用于将硅液表面的一氧化硅旋转至外围；

抑氧瓦(4)，所述单晶炉(1)内对称安装有两组驱动机构(6)，两片抑氧瓦(4)分别依靠支撑臂(5)安装在驱动机构(6)上，所述驱动机构(6)用于将抑氧瓦(4)推入至坩埚(2)内部的硅液上方，并使抑氧瓦(4)一部分伸入至硅液表面以下，两片抑氧瓦(4)合并后将漂浮在硅液表面的一氧化硅隔离在抑氧瓦(4)外壁与坩埚(2)内壁之间；

所述搅拌机构(7)由搅拌轴(8)、叶轮(9)和连接头(10)组成，其中所述叶轮(9)采用锥型结构；

所述驱动机构(6)包括固定安装在单晶炉(1)内壁上的支撑板(11)，所述支撑板(11)上滑动安装有驱动板(13)，所述支撑臂(5)竖直滑动安装在驱动板(13)上，所述支撑板(11)上设置有导槽(17)，所述支撑臂(5)上安装有导向柱(19)，所述导向柱(19)滑动安装在导槽(17)内，用于对支撑臂(5)和抑氧瓦(4)进行导向；

所述导槽(17)由水平槽(20)和斜槽(21)连通组成，所述水平槽(20)远离坩埚(2)，所述斜槽(21)呈倾斜向下的走向。

2.如权利要求1所述的一种单晶硅拉制用降氧保护装置，其特征在于，所述搅拌轴(8)、叶轮(9)和连接头(10)均采用高纯石墨、石英材料、结晶质的天然石墨或钨钢材料制成。

3.如权利要求1所述的一种单晶硅拉制用降氧保护装置，其特征在于，所述支撑板(11)依靠安装板(12)固定安装在单晶炉(1)内壁上，所述安装板(12)采用与单晶炉(1)内壁贴合的瓦状结构。

4.如权利要求1所述的一种单晶硅拉制用降氧保护装置，其特征在于，所述单晶炉(1)的外壁上转动安装有转盘(24)，所述转盘(24)上呈中心对称设置有两组偏心槽(25)，每组所述驱动板(13)上均固定连接有推杆(22)，所述推杆(22)轴线与坩埚(2)轴线垂直相交，所述推杆(22)密封滑动穿过单晶炉(1)，所述推杆(22)伸出至单晶炉(1)外的部位设置有导柱(23)，所述导柱(23)滑动安装在偏心槽(25)内。

5.如权利要求1所述的一种单晶硅拉制用降氧保护装置，其特征在于，所述抑氧瓦(4)的外壁上设置有若干条瓦楞凸起(26)，用于增加一氧化硅与抑氧瓦(4)的接触面积。

6.如权利要求1所述的一种单晶硅拉制用降氧保护装置，其特征在于，所述支撑板(11)上沿坩埚(2)径向设置有第一导轨(14)，所述驱动板(13)底部设置有第一滑块，所述驱动板(13)依靠第一滑块滑动安装在第一导轨(14)上。

7.如权利要求1所述的一种单晶硅拉制用降氧保护装置，其特征在于，所述驱动板(13)上沿坩埚(2)轴线方向设置有第二导轨(15)，所述支撑臂(5)靠近加热器(3)的一端固定安装有第二滑块(16)，所述第二滑块(16)滑动安装在第二导轨(15)上。

说明书

一种单晶硅拉制用降氧保护装置

技术领域

[0001] 本发明涉及单晶炉的技术领域，特别是涉及一种单晶硅拉制用降氧保护装置。

背景技术

[0002] 在单晶硅中，直拉单晶硅被广泛应用于太阳能电池的材料；直拉单晶硅的制备工艺成熟、晶格完整、机械强度高，是集成电路的基础材料，也是太阳能电池的主要材料之一。

[0003] 在硅单晶生长过程中，由于石英坩埚的污染，直拉硅单晶中将不可避免地引入氧杂质，经常会发生晶棒头部氧含量偏高的现象，严重影响了晶体硅和光伏组件的性能，降低了硅太阳能电池的光电转换效率。

发明内容

[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种能够有效减少单晶硅内的氧含量，提升晶体硅的性能的单晶硅拉制用降氧保护装置。

[0005] 本发明的一种单晶硅拉制用降氧保护装置，包括：

[0006] 单晶炉，所述单晶炉内部安装有坩埚，所述坩埚圆周外部设置有加热器，所述加热器用于对坩埚内部熔融状态下的硅液进行加热；

[0007] 搅拌机构，所述搅拌机构可拆卸安装在单晶炉顶部，所述搅拌机构用于将硅液表面的一氧化硅旋转至外围；

[0008] 抑氧瓦，所述单晶炉内对称安装有两组驱动机构，两片抑氧瓦分别依靠支撑臂安装在驱动机构上，所述驱动机构用于将抑氧瓦推入至坩埚内部的硅液上方，并使抑氧瓦一部分伸入至硅液表面以下，两片抑氧瓦合并后将漂浮在硅液表面的一氧化硅隔离在抑氧瓦外壁与坩埚内壁之间。

[0009] 优选地，所述搅拌机构由搅拌轴、叶轮和连接头组成，其中所述叶轮采用锥型结构。

[0010] 优选地，所述搅拌轴、叶轮和连接头均采用高纯石墨、石英材料、结晶质的天然石墨或钨钢材料制成。

[0011] 优选地，所述驱动机构包括固定安装在单晶炉内壁上的支撑板，所述支撑板上滑动安装有驱动板，所述支撑臂竖直滑动安装在驱动板上，所述支撑板上设置有导槽，所述支撑臂上安装有导向柱，所述导向柱滑动安装在导槽内，用于对支撑臂和抑氧瓦进行导向。

[0012] 优选地，所述导槽由水平槽和斜槽连通组成，所述水平槽远离坩埚，所述斜槽呈倾斜向下的走向。

[0013] 优选地，所述支撑板依靠安装板固定安装在单晶炉内壁上，所述安装板采用与单晶炉内壁贴合的瓦状结构。

[0014] 优选地，所述单晶炉的外壁上转动安装有转盘，所述转盘上呈中心对称设置有两组偏心槽，每组所述驱动板上均固定连接有推杆，所述推杆轴线与坩埚轴线垂直相交，所述推杆密封滑动穿过单晶炉，所述推杆伸出至单晶炉外的部位设置有导柱，所述导柱滑动安装在偏心槽内。

[0015] 优选地，所述抑氧瓦的外壁上设置有若干条瓦楞凸起，用于增加一氧化硅与抑氧瓦的接触面积。

[0016] 优选地，所述支撑板上沿坩埚径向设置有第一导轨，所述驱动板底部设置有第一滑块，所述驱动板依靠第一滑块滑动安装在第一导轨上。

[0017] 优选地，所述驱动板上沿坩埚轴线方向设置有第二导轨，所述支撑臂靠近加热器的一端固定安装有第二滑块，所述第二滑块滑动安装在第二导轨上。

[0018] 与现有技术相比本发明的有益效果为：先利用搅拌机构对硅液表面进行扩散搅拌，使分散在硅液表面的一氧化硅旋转至坩埚内壁附近，之后再通过驱动机构同步控制两片抑氧瓦相对靠近，当抑氧瓦由最外侧沿坩埚径向向内移动时，先水平移动，移动到坩埚内部以后再缓慢下降至硅液内，并使抑氧瓦一部分伸入至硅液表面以下即可，直至两片抑氧瓦合并，两片所述抑氧瓦合并后的区域内供硅棒拉制，此时将坩埚内壁周围的一氧化硅与中心位置隔绝，然后再进行单晶硅的拉制作业，此时能够有效减少单晶硅内的氧含量，提升晶体硅的性能。

附图说明

[0019] 图1是本发明的结构示意图；

[0020] 图2是图1的结构剖视图；

[0021] 图3是图1未安装单晶炉和转盘的结构示意图；

[0022] 图4是驱动机构的结构放大示意图；

[0023] 图5是图4的结构正视图；

[0024] 图6是支撑臂与连接杆等结构连接的放大示意图；

[0025] 图7是搅拌机构的结构放大示意图；

[0026] 图8是锥型叶轮搅拌硅液时上层硅液流动示意图；

[0027] 图9是柱状叶轮搅拌硅液时上层硅液流动示意图；

[0028] 附图中标记：1、单晶炉；2、坩埚；3、加热器；4、抑氧瓦；5、支撑臂；6、驱动机构；7、搅拌机构；8、搅拌轴；9、叶轮；10、连接头；11、支撑板；12、安装板；13、驱动板；14、第一导轨；15、第二导轨；16、第二滑块；17、导槽；18、连接杆；19、导向柱；20、水平槽；21、斜槽；22、推杆；23、导柱；24、转盘；25、偏心槽；26、瓦楞凸起。

具体实施方式

[0029] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0030] 在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0031] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本实施例采用递进的方式撰写。

[0032] 如图1至图9所示，本发明的一种单晶硅拉制用降氧保护装置，包括：

[0033] 单晶炉1，单晶炉1内部安装有坩埚2，坩埚2顶部圆周外部设置有加热器3，加热器3用于对坩埚2内部熔融状态下的硅液进行加热；

[0034] 搅拌机构7，搅拌机构7可拆卸安装在单晶炉1顶部，搅拌机构7旋转的同时还能够升降，在硅棒拉制之前，启动搅拌机构7旋转并缓慢下降，将硅液表面的一氧化硅SiO转至外围；

[0035] 抑氧瓦4，单晶炉1内对称安装有两组驱动机构6，两片抑氧瓦4分别依靠支撑臂5安装在驱动机构6上，驱动机构6用于将抑氧瓦4推入至坩埚2内部的硅液上方，并使抑氧瓦4一部分伸入至硅液表面以下，两片抑氧瓦4合并后与坩埚2同轴线，两片抑氧瓦4合并后的区域内供硅棒拉制，将漂浮在硅液表面的一氧化硅隔离在抑氧瓦4外壁与坩埚2内壁之间。

[0036] 在本实施例中，先利用搅拌机构7对硅液表面进行扩散搅拌，使分散在硅液表面的一氧化硅旋转至坩埚2内壁附近，之后再通过驱动机构6同步控制两片抑氧瓦4相对靠近，当抑氧瓦4由最外侧沿坩埚2径向向内移动时，先水平移动，移动到坩埚2内部以后再缓慢下降至硅液内，并使抑氧瓦4一部分伸入至硅液表面以下即可，直至两片抑氧瓦4合并，两片抑氧瓦4合并后的区域内供硅棒拉制，此时将坩埚2内壁周围的一氧化硅与中心位置隔绝，然后再进行单晶硅的拉制作业，此时能够有效减少单晶硅内的氧含量，提升晶体硅的性能。

[0037] 具体的，搅拌机构7由搅拌轴8、叶轮9和连接头10组成，利用单晶炉中轴动力装置，连接头10能够安装在单晶炉石墨中轴上，其中叶轮9采用锥型结构，如图7所示，即叶轮9顶端直径大于叶轮9底端直径；

[0038] 如图8所示，当锥型叶轮进行搅拌时，由于锥型叶轮下端搅拌直径较小，根据离心力的计算可知，旋转直径越小离心力也就越小，因此锥型叶轮下端的硅液离心位移较小，不会与坩埚2内壁发生较大的冲击，而锥型叶轮上端的硅液离心位移较大，能够被转至坩埚2内壁边缘；

[0039] 如图9所示，当柱状叶轮进行搅拌时，由于柱状叶轮顶端和底端的直径相等，柱状叶轮下端硅液的离心力要大于锥型叶轮下端硅液的离心力，因此当叶轮9下端硅液向外围扩散时会与坩埚2内壁发生较大冲击，使硅液在表面形成由外向内的回流现象，将旋转至坩埚2边缘的一氧化硅再次冲回中心位置，导致晶棒拉制时，还会有氧原子掺入；因此锥型叶轮较于柱状叶轮降氧效果更佳。

[0040] 进一步地，在单晶硅拉制过程中，单晶炉内最高温度高达1600℃，所以搅拌机构7必须要耐高温，搅拌轴8、叶轮9和连接头10均采用高纯石墨、石英材料、结晶质的天然石墨或钨钢等耐高温材料制成；其中连接头10与单晶炉石墨中轴采用螺纹连接，便于拆卸安装。

[0041] 具体如何驱动抑氧瓦4移动的，如图3至图6所示，驱动机构6包括依靠安装板12固定安装在单晶炉1内壁上的支撑板11，支撑板11上沿坩埚2径向滑动安装有驱动板13，支撑臂5竖直滑动安装在驱动板13上，支撑臂5的滑动方向沿坩埚2的轴线方向，支撑板11上设置有导槽17，支撑臂5上固定安装有连接杆18，连接杆18上安装有导向柱19，导向柱19滑动安装在导槽17内，用于对支撑臂5和抑氧瓦4进行导向；如图5所示，导槽17由水平槽20和斜槽21连通组成，水平槽20远离坩埚2，斜槽21呈倾斜向下的走向，导向柱19滑动安装在水平槽
20和斜槽21内；

[0042] 在本实施例中，当抑氧瓦4由最外侧沿坩埚2径向向内移动时，先水平移动，移动到坩埚2内部以后再缓慢下降至硅液内，直至两片抑氧瓦4合并，此时将坩埚2内壁周围的一氧化硅与中心位置隔绝；通过驱动两组驱动机构6上的驱动板13同步相对移动，即可控制两片抑氧瓦4合并成圆形。

[0043] 进一步地，安装板12采用与单晶炉1内壁贴合的瓦状结构，能够减少安装板12外壁与单晶炉1内壁之间的贴合缝隙，避免在工作过程中受热变形，导致支撑板11与驱动板13等结构产生结构位移的情况发生，当支撑板11和驱动板13等结构发生位移后，会造成两片抑氧瓦4无法合并为一个圆环，两片抑氧瓦4连接处会出现缝隙，导致抑氧瓦4外壁与坩埚2内壁之间的一氧化硅沿缝隙进入至中心部位，影响单晶硅中的氧原子含量；其中，为了保证连接的稳定性，安装板12通过钨钢螺栓固定在单晶炉1内壁上。

[0044] 为了保证驱动板13在支撑板11上滑动的顺畅、支撑臂5在驱动板13上滑动的顺畅，支撑板11上沿坩埚2径向设置有第一导轨14，驱动板13底部设置有第一滑块，驱动板13依靠第一滑块滑动安装在第一导轨14上；驱动板13上沿坩埚2轴线方向设置有第二导轨15，支撑臂5靠近加热器3的一端固定安装有第二滑块16，第二滑块16滑动安装在第二导轨15上，此时能够保证驱动板13相对于支撑板11、支撑臂5相对于驱动板13顺畅滑动。

[0045] 更为具体的，为了驱动两片抑氧瓦4同步移动，单晶炉1的外壁上转动安装有转盘24，转盘24上呈中心对称设置有两组偏心槽25，其中偏心槽25两端之间的径向距离与抑氧瓦4移动距离相等，每组驱动板13上均固定连接有推杆22，推杆22轴线与坩埚2轴线垂直相交，推杆22密封滑动穿过安装板12和单晶炉1，推杆22伸出至单晶炉1外的部位设置有导柱
23，导柱23滑动安装在偏心槽25内；

[0046] 在本实施例中，通过外置伺服电机驱动转盘24沿自身轴线旋转，利用偏心槽25与导柱23的导向驱动两组推杆22沿自身轴线相对移动，从而实现对两组驱动板13的同步驱动，实现两片抑氧瓦4的同步移动。

[0047] 另一方面，为了进一步降低氧含量，硅液与坩埚中的二氧化硅分解产生的氧化硅漂浮在熔硅表面时，因为热对流减小，一氧化硅会吸附紧固在石英坩埚内壁，抑氧瓦4的外壁上设置有若干条瓦楞凸起26，用于增加一氧化硅与石英的接触面积，从而使更多的一氧化硅吸附在抑氧瓦4的外壁上，减少中心部位的氧含量。

[0048] 本发明的一种单晶硅拉制用降氧保护装置，其安装方式、连接方式或设置方式均为常见机械方式，只要能够达成其有益效果的均可进行实施。

[0049] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。